姜 龍,李國進,陳潤設(shè)
(廣西大學(xué) 電氣與工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)
RFID技術(shù)的應(yīng)用,可以追溯到二戰(zhàn)時期。但由于技術(shù)和成本的原因,一直沒有得到很廣泛的應(yīng)用。近年來,射頻識別技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。隨著大規(guī)模集成電路和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的發(fā)展,射頻識別技術(shù)進入到商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,開始從原來的低頻(125kHz)、高頻(13.56MHz)向超高頻(860~960MHz)和微波領(lǐng)域發(fā)展。由于其獨有的優(yōu)勢,RFID技術(shù)顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間,成為了新時期最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。中國在低頻和高頻段,已經(jīng)自主開發(fā)出了ISO14443TypeA、TypeB和ISO15693標準的RFID芯片,并且將此成功應(yīng)用在城市公交一卡通和第二代居民身份證等重大項目中。但在超高頻和微波領(lǐng)域,我國起步比較晚,技術(shù)和相應(yīng)的產(chǎn)品仍比較缺乏。在此背景下,本文對915MHz射頻讀卡器的設(shè)計做了一些研究。該系統(tǒng)可以應(yīng)用到車輛監(jiān)控、遙控、遙測、門禁系統(tǒng)、身份識別、非接觸RF智能卡、無線485/232數(shù)據(jù)通信、安全防火等領(lǐng)域。
如圖 1 所示,系統(tǒng)主要有 MCU(MC9S12×S128)、SI4432模塊、串口通信模塊、警示模塊和天線模塊組成。讀卡器輻射的高頻載波使進入天線市場范圍內(nèi)的電子標簽從輻射的能量中獲得工作所需的電量,激活電子標簽。被激活的電子標簽將接收到的信號解調(diào)、譯碼,然后針對不同的命令控制邏輯電路做出相應(yīng)的處理,最后提取出電子標簽的信息,經(jīng)編碼、調(diào)制等處理后發(fā)送回讀卡器,讀卡器再對接收到的信息進行解調(diào),解碼及其他處理,送到上位機以滿足用戶的相關(guān)需要。
圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架
MCU模塊選用Freecale公司的單片機MC9S12×S128,單片機具有64~256kB嵌入式閃存,帶糾錯碼(ECC)功能,4~12kB的RAM,高達4~8kB的data-flash,片子上集成了ECC模塊、一個穿行外設(shè)接口SPI模塊、4路外部事件觸發(fā)中斷輸入端口等外圍接口,使得電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強。通過SPI模塊配置SI4432寄存器,并完成數(shù)據(jù)通訊,設(shè)計方便靈活,占用的接口少。
SI4432是一款高集成度單晶片低功耗、多頻道的射頻收發(fā)器。在無需申請注冊的 315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz頻段設(shè)計應(yīng)用,完全符合FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)和ETSI(歐洲標準化委員會)認證的相關(guān)規(guī)定。芯片內(nèi)部集成有高頻功率放大器、低噪聲放大器、I/Q轉(zhuǎn)換混頻器、基帶濾波器、放大器等所需要去RF功能模塊,外部僅僅需要一塊晶振和幾個退偶電容即可工作。其內(nèi)部集成的全數(shù)字數(shù)據(jù)處理器極大地減少了MCU的負擔(dān)。集成的數(shù)字濾波、FIFO和TX數(shù)據(jù)寄存器、支持低功耗工作的喚醒定時器等,減少了設(shè)計的難度,同時也使設(shè)計的成本大大降低。
SI4432芯片的SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)和SDO(串口數(shù)據(jù)輸出),IRQ(中斷產(chǎn)生),SCLK(串行時鐘輸入)是標準的 SPI接口。中斷使能以后,每當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、上電復(fù)位、或者檢測到同步字前導(dǎo)碼等情況時,IRQ管腳將會被拉低。告知MC9S12×S128有中斷產(chǎn)生,要求單片機處理中斷程序。SI4432的SDN管腳則是決定芯片工作與否的關(guān)鍵。當(dāng)該管腳被拉低的時候,芯片處在工作狀態(tài),為高電平的時候,芯片處在掉電模式,在該模式下芯片不允許訪問,所有寄存器的數(shù)據(jù)會丟失,芯片的功耗處在最低狀態(tài)。直到電平轉(zhuǎn)換才會進入到工作狀態(tài)。
圖2 SI4432接口電路設(shè)計
整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計,采用模塊化的思想,把系統(tǒng)分為若干個主要的模塊,分別來設(shè)計軟件。主要包括系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等模塊。初始化程序,主要有兩塊核心芯片MC9S12×S128 I/O端口定義、寄存器配置的初始化以及對SPI的初始化設(shè)置和SI4432的關(guān)于無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置;數(shù)據(jù)發(fā)送程序,則主要是寫入數(shù)據(jù)并發(fā)送,并且根據(jù)協(xié)議規(guī)則在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中加入前導(dǎo)碼、同步字、CRC校驗碼等,重新打包通過天線發(fā)送出去;數(shù)據(jù)接收程序,則要完成對數(shù)據(jù)的校驗和接收。
SI4432在上電之初,工作在默認的狀態(tài),必須對相關(guān)的寄存器進行合理的設(shè)置,才能進行工作。芯片的內(nèi)部決定工作模式的寄存器有70之多,這些寄存器的初始化,是一個復(fù)雜但十分重要的環(huán)節(jié)。寄存器的配置合適與否在很大程度上決定了通訊的效果。
圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖
SI4432寄存器的初始化主要包括載波頻率、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、CRC校驗碼、前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)頭等。
NRF4432_WriteReg(HEADER_CONTROL_1,0x8c);
//數(shù)據(jù)頭文件
NRF4432_WriteReg (TRANSMIT_PACKET_LENGTH,NRF4432_TxRxBuf_Len);//發(fā)送數(shù)據(jù)包長度 32
NRF4432_WriteReg(NOMINAL_CARRIER_FREQUENCY_1,0x4b);//載波頻率
NRF4432_WriteReg(MODULATION_MODE_CONTROL_1,0x02);//調(diào)制控制方式設(shè)置
NRF4432_WriteReg(PREAMBLE_LENGTH,0x08); //前導(dǎo)數(shù)據(jù)長度
FIFO數(shù)據(jù)訪問命令
NRF4432_WriteBurestReg (FIFO_ACCESS,NRF4432_TxRxBuf,NRF4432_TxRxBuf_Len);
數(shù)據(jù)的發(fā)送使能
NRF4432_WriteReg (OPERATING_FUNCTION_CONTROL_1,0x09);
在接收數(shù)據(jù)的時候,芯片會自動識別前導(dǎo)碼、同步字等,不需要干預(yù);
在接受數(shù)據(jù)前,我們必須先清理FIFO,也就是將FIFO復(fù)位
NRF4432_WriteReg (OPERATING_FUNCTION_CONTROL_2,NRF4432_ReadReg(OPERATING_FUNCTION_CONTROL_2)|0x02);
中斷時能
NRF4432_WriteReg(INTERRUPT_ENABLE_1,0x02);
讀取中斷狀態(tài)
if(NRF4432_ReadReg(INTERRUPT_STATUS_1)&0x02);
數(shù)據(jù)的接收使能
NRF4432_WriteReg(OPERATING_FUNCTION_CONTROL_1,0x05);
while(IRQ=0);
FIFO數(shù)據(jù)讀取
NRF4432_ReadBurestReg (uchar addr,uchar *p,uchar count);
圖4 數(shù)據(jù)接收流程圖
本文設(shè)計的射頻讀卡器選用直式小功率天線,實現(xiàn)了短距離通訊,具有很好的穩(wěn)定性和通用性??刂破鞒绦虼鎯卧獮镕lash存儲,因此可重復(fù)編程,升級和擴展方便,稍微做些改動,便可以應(yīng)用到其他的通訊領(lǐng)域。通過串口通訊模塊系統(tǒng),可以很方便的和PC機進行連接。如果對天線系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,通訊距離將會達到一個很理想的效果。
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